电气化铁道技术论文
电气化铁道属于当代的一种交通运输工具，是通过电能作为牵引动力进行运作的。学习啦小编为大家整理的电气化铁道技术论文，希望你们喜欢。
电气化铁道技术论文篇一
电气化铁道节能技术探讨
摘要：一直以来，我国都是能源消耗大国，对于节约能源也给予了相应的重视，并提出建设能源节约型社会的发展目标，铁路建设中也相继出台与节约能源相关的政策和文件，这也正是当前电气化铁道设计者需要遵循的准则和技术规范。本文先就电气化铁道的基本概念及其组成进行阐述，然后针对外部电源、牵引变电所、接触网以及电力机车中的节能技术进行探讨，以供参考。
关键词：节能减排;电气化铁道;牵引变电所;接触网;电力机车
中图分类号：TE08文献标识码： A
引言
我国电气化铁路是从20世纪50年代初开始筹划的。当时，主要是讨论采用什么样的电流制与多高的额定电压。经过反复研究论证，结合国内外情况，确定我国电气化铁路采用工频单相25KV交流制。截至2007年底，全国铁路电气化里程达到24433公里，电气化率达到27%，使机车牵引效率提高了2/3。2008年10月31日，《中长期铁路网调整规划》经国家批准正式颁布实施。调整规划明确了到2020年，全国铁路营业里程达到12万公里以上的路网结构与布局方案，其中客运专线及城际铁路达到1.6万公里以上，复线率和电化率分别达到50%和60%以上，主要繁忙干线实现客货分线。然而，随着铁路电气化建设的不断加快，用电量也将不断攀升。从用电总量上来看，作为节能型交通运输方式的铁路仍然是用电大户，提高电气化铁路的能源用电效率，将产生可观的节能减排效益。
一、电气化铁路的组成
铁路机车按照牵引动力所使用的能源类别可分为：蒸汽机车、内燃机车和电力机车三种。与此对应的铁路牵引方式也有蒸汽牵引、内燃牵引和电力牵引三种。所谓电力牵引，就是由外电源供给动力车电能的牵引方式。采用电力牵引的铁路称为电气化铁路。作为电气化铁路牵引动力的电力机车，本身不带能源。他必须从外部电源和牵引供电系统获得电能，电能经过变换后，输送到牵引电动机，使牵引电动机旋转来驱动车轮转动牵引列车运行。因此电气化铁路除了一般的铁路线路、车站、通讯、信号灯设施外、还包括特殊的牵引供电系统、电力机车以及相应的运行、维修和管理单位供电段、电力机务段、电力调度及其主管部门等。下图为电气化铁道示意图。
图1电气化铁道示意图
二、节能设计思路
铁路电力节能设计的思路主要体现在变电、配电、用电三个方面，针对其进行细化分析，提出以下电力节能的设计思路:
(一)、变电模块电力节能的设计思路
对变电模块实行电力节能的设计，需对核心设备变压器进行设计，首先需要对变压器进行设计，变压器在运行时，分为两种电能损失，铁损和线损，变压器在工作时，由于功率产生的损失，线损会随着消耗功率的增加而增加，铁损则是根据变压器的基本性能产生，属常规固定值，因此，铁路电力选择变压器时必须遵循节能降耗的原则;其次是兼并融合变压器，变压器的数量越多，代表其在传输过程中，需要消耗的能量越大，为防止电能消耗过度，可利用兼容性比较大的变压器代替分散的变压器，则将铁路系统的变电方式改为集中式，事实证明，将变压器进行集中变电，可较传统变压器节电20%左右;最后保障容量合适，变压器运行过程中，容量选择不合理会增加变压器的损耗，同时加重无功运行的负担，选择容量值时，结合电力的实际情况，保障变压器的经济运行状态。
(二)、配电模块电力节能的设计思路
铁路电力配电模块即是实现高压到变电，低压到用电的转换过程，在配电线路结构中，由于电阻的存在，会在配电转换的过程中，产生不良损耗，因此配电线路的损耗与线路中的电流、电阻变化存在较大的关系。为提高配电模块的节能设计，可研究线路中的电流和电阻。公式I=P/Ucosφ，可推断出电流与功率的变化关系，通过提高配网中的φ，实现损耗的降低，安装无功补偿，不仅可以减少配电模块中的浮装，而且可提高载荷的效率;降低配网中的电阻，同样可节约配电能源，根据公式R=pL/S，可得电阻与电阻率的正比关系，因此，配网中可以降低电阻值的方式，降低能源消耗，首先在选择配电导线时，以电阻率较小的材料为主，例如:铜线、铝线;第二尽量减少配网线路长度，避免盘旋、拉距式的线路安装，最好采用直线安装的方式;第三增加横截面积，横截面的增加，不仅可以延长导线的使用寿命，而且可在很大程度上提高配电效率，减少损耗。
(三)、用电模块电力节能的设计思路
用电模块属于铁路电力的终端，用电设备与用电类型多种多样，铁路电力中照明用电类型占据用电模块较大比重，实现节能降耗措施主要围绕照明，例如:优化铁路照明系统的线路设置，采用节能型的线路安装;有效采取照明控制，目前比较常用的为声控、光控和触摸控;采用节能型的照明设备，如节能光源、灯具;采取自然光照明等。
三、电气化铁路节能技术应用
铁路电力系统中的节能方案具备技术性的特点，其不仅可以实现电力节能的规划，同时也可安排相应节能技术的使用。利用节能方案规定多项技术的节能操作，提高铁路电力节能的效率。
(一)、变压器的节能应用
1)要与铁路运行能耗的实际情况相结合，选取数量和容量都较为合适的变压器，通过资金费用以及维修资金，与实际负荷情况相结合，选取容量和电力负荷都较为适当的变压器，在此基础上，设备可以实现高速正常运行。很多时候，在经济运行区域内，变压器的负荷率可以实现正常操作，换言之，在30～75%，若是可以达到50～60%，那么基本上可以达到最佳状态。
2)能耗运用是选择变压器的主要依据，在新建、改建以及扩建上，变压设备要保证自身有突出效果，例如，新型电磁热耦合的节能型卷铁心牵引变压器等，通过这一系列型号的变压器，节约能源必定会实现，同时短路所造成的损失也会得到有效减少或者避免。
3)降低负序电流造成的损失。为了整体减少进入电力系统负序分量，采用牵引变电所换接相序的措施。所谓换接相序，就是指个相邻牵引变电所牵引变压器的原边各端子轮换接入电力系统中不同的相。如果各牵引变电所由统一电力系统供电，则各牵引变电所的牵引负荷在电力系统中引起的总负序电流与每个牵引变电所引入的相序有关。为了达到减小单相牵引负荷在电力系统中引起的负序电流，减轻对电力系统负序影响的目的，通常采用牵引变电所换接相序的措施。
4)牵引网电压补偿。提高牵引网电压常见的方法有：缩短牵引网供电臂长度;加大馈线截面或增设加强导线;采用串联电容补偿装置;采用单相自耦调压器或增压器;采用AT供电方式，提高馈电电压。
(二)、接触网节能技术
1)选择合适的接触线材料，降低接触网阻抗。接触线材料引起电能损失不可避免，因为任何导线在普通条件下都存在阻抗。因而，必然会引起电能损失。在这方面，线路阻抗大小就决定了电能损失的多少。因此，选择单位阻抗较小的接触线将有助于电气化铁道的节能。由于电气化铁道供电的特殊性，还要求接触线必须具有抗拉强度高、耐热性能好、耐磨性能好、制造长度长等性能，而这些性能之间往往又存在着矛盾，因此在选择接触线时要综合考虑各方面因素，力求在满足其他各性能的条件下选择阻抗最小的材料。
2)使用无磁化或低磁化金具。目前，在电力系统输配电线路的节能技术中人们很重视对无磁化或低磁化金具的使用，这是因为金具上产生的感应电动势与材料的相对导磁率成正比，在铁磁材料金具中，由于其相对导磁率高(可以达到250～1000)，感应的电动势大，因此产生的涡流大。涡流在金具电阻上发热，从而将线路电能大量转化为热能消耗掉。鉴于此，通过采用无(低)导磁率的材料如铝或铜合金或低磁钢来制造线路金具是节能的一种有效手段。因此，借鉴电力系统的经验，同样可以在电气化铁道中采用无磁化或低磁化的金具。
3)限制供电臂的长度。供电臂的长度除了对其末端最低电压水平有较大影响之外，还对牵引接触网电能损失有较大影响。过长的供电臂，将使牵引接触网电能损失急剧增加。因此，在满足行车要求的前提下要适当限制供电臂的长度。
(三)、电力机车节能
1)再生制动节能。目前被广泛采用的机车节能技术是再生制动节能技术。再生制动就是，一方面将车辆的动能转化为电能回收利用，节约能源;另一方面提高机车的用电经济性，减轻机械摩擦制动产生的磨损，增加摩擦制动器的寿命。当列车实施再生制动时，异步电机处于发电机工况，列车的动能(机械能)经过齿轮传动，输出到异步电机的转子，并将机械能转化为交流电能，再经相应的整流、逆变通过牵引变压器、受电弓反馈回牵引网。
2)变频调速节能。在国内，对变频调速在电机节能方面进行了定性的研究，分析变频调速电机及其节能原理，提倡应用变频调速技术节电。变频调速应用于牵引电机传动系统，当负载变化时，传统的调节方法改变电动机的通电时间所占比例(占空比)，电动机会频繁制动和起动，消耗大量的能量，如采用变频调速来调节驱动电源的电压和频率，平滑调节电机转速，根据负载情况改变输出功率，将节约大量电能。在国外变频调速技术已经大量应用于交流牵引电机传动系统中。
结束语
综上所述，电气化铁道节能技术相对将为广泛，需要我们结合建设的实际情况，选择最为合适的技术措施，以使电能的利用效率得到有效提升，同时也可以降低能耗，提升经济效益。
参考文献
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电气化铁道技术论文篇二
电气化铁道供电牵引电力变压器研究
摘要：随着我国电气化铁道供电牵引电力变压器的不断发展，改善了我国铁路运输以往较大的能耗和过于严重的污染等问题。文章对电气化铁道供电牵引电力变压器进行研究，通过结合我国电气化铁道供电牵引电力变压器的发展历程，对牵引变压器的共性运行原理进行了阐述，并在此基础上对牵引变压器的连接方法和运行特点进行了探讨。
关键词：电气化铁道;供电牵引电力变压器;铁路运输;共性运行原理;交通运输 文献标识码：A
中图分类号：U223 文章编号：1009-2374(2016)14-0019-02 DOI：10.13535/j.cnki.11-4406/n.2016.14.010
电气化铁路属于当代的一种交通运输工具，是通过电能作为牵引动力进行运作的。电气化铁路的牵引供电系统自身无法形成电能，而是向电力机车传输电力系统的电能。随着我国电力牵引技术的不断创新和优化，在铁路运输行业中，大功率、高速度且具有较强过载能力和输送能力的电力机车必定会被大众所认识。电气化铁路主要由两个部分组成：一是电力机动车;二是牵引供电系统。而在电力牵引供电系统中牵引变压器是最为核心的部分，其作用非常重要，不仅能够实现变压、供电以及让负序电流和高次谐波对电力系统的影响得以降低，同时还能够无偿的补偿电力系统。由此可见，牵引变压器设计在电气化铁路中具有非常重要的地位和非常关键的作用。
1 电气化铁道的发展历程和原理
1.1 电气化铁道的发展历程
由于发电机和直流电动机在19世纪80年代相继被研发出来，世界上越来越多的国家在城市内的交通运输上运用其电力牵引技术，其中较低电压的直流电气化铁道是运用最为广泛的一种。随着时代的进步，一些工业发达国家在20世纪之后，开始将电气化铁道陆续的在城市之间和运输较为繁忙的铁路干线上进行建设。尤其是在20世纪50年代之后，这些工业发达国家为了让国内日益增长的运输任务得以完成，在建设大规模铁路的过程中，也开始对电气化铁道进行大力修建。20世纪80年代后，印度、南非等诸多发展中国家的电气化铁道发展速度也越来越快。而在我国，随着新中国的成立，我国在对铁路运势进行大力发展的过程中，开始在宝成铁路的重要路段，即宝鸡到风州段建立电气化铁道，通过结合国外的建设经验，对先进的单相工频交流供电制进行运用。当这条3%长大坡到翻越秦岭的电气化铁道完工，并成功通车之后，也标志着我国铁路发展逐渐的开始迈向了电气化方向。
1.2 电气化铁道供电系统原理介绍
电气化铁道供电系统主要由三相交流高压输电线、牵引变电所、馈电线、接触网、轨道和地作为牵引电流回归通道、回流线、电力机车以及中性点接地开关这八个部分组成。一般情况下都将三相交流高压输电线称之为电气化铁道一次供电系统，它的主要作用是发电、变电和输电;其余组成部分则为电气化铁路牵引负荷，主要的作用是借助于牵引供电系统，将电气化铁道一次供电系统传输来的电能提供给电力机车。在牵引变电所中牵引变压器是最为主要的设备，将电力系统传输过来的三相交流电转化成能够供电力机车使用的电能传输给电力机车是其主要任务。
2 电气化铁道供电牵引电力变压器的连接方法
2.1 单相接线变压器
单相接线变压器主要分为两种：一种是纯单相变压器，它是通过高压侧接三相电源中的任意某两相，电压在110kV或220kV。牵引母线和低压侧绕组首端进行连接，钢轨、地接和末端进行连接，电压输出为27.5kV。通过和牵引母线的一段进行连接，并供电给两侧的供电臂。由于纯单相变压器的绕组分别和一次侧电源、二次侧电力机车进行连接，因此，材料的利用率都为100%;另一种为V/V接线变压器，它是由两台单相接线牵引变压器接线成V/V状。这种变压器一次侧绕组和电力系统的两个线电压进行连接，二次侧则和牵引线的两相母线分别连接，轨道、接地网和公共端子进行连接。因此对地电压存在不一样的相位，所以需要运用分相绝缘器将中间断开。在这种接线变压器中，会存在两个独立的单相。当其中一台变压器出现故障停电后，另一台变压器则可以进行跨相供电，也就是能够成为两边共同的供电分区的牵引网。一般这种接线变压器容量利用率能够达到100%。
2.2 三相接线变压器
三相牵引变电所一般三相牵引变压器会有2～3台，变压器绕组有3个，与110kV高压侧连接的一次绕组为星形。二次侧绕组连接牵引网，呈现三角形。三角形的两个角和供电臂分别进行连接，另一个则和行车轨道进行连接。和供电臂向连接的两个角对轨道电压不同相，必须分开于牵引线变电所的馈电线出口处，简单来说就是需要进行电分相的设置。对于三相变压器的牵引变电所，当地区负荷不需要供应或者地区负荷选用专门的变压器时，则牵引变压器两个绕组就已经足够，当下我国所采用的连接方式大都是这种。这种变压器的优点在于具有较低的造价和较小的占地面积，在三相电力系统中所引起的电流不对称程度也相对来说要低很多，但是它的缺点也很明显，在三相变压器中，无法充分利用到没有连接钢轨的一相容量。
2.3 斯考特接线变压器
这种接线方法在国外被称为Scott接线。它的主要作用是让单相牵引负荷电力系统的不对称影响得到改善。在斯考特接线变压器中，通常会设置两个单相变压器。两台变压器具有不一样的侧边绕组匝数，但却具有相同的次边绕组匝数，促使变压器侧边匝数是变压器原来边匝数的两倍多。这种匝数比例能够让两个变压器具有相同的次边电压数值。从牵引角度上来看，这种接线方法非常相似于V形接线，但是，它的接触网两端电压相位差距90°。这种接线方式的优点在于：能够让三相电力系统的负荷更加容易实现对称，但是这种接线需要的变压器较为特殊，且当变压器发生故障时，存在较为复杂的转换程序。当地区负荷存在时，还需要将专用变压器给建立起来。
2.4 伍德桥接线变压器
这种变压器接线方法是和斯考特接线拥有相同效果的变压器接线方法。这种接线方法的主要特点在于，当二次侧的两个绕组的负荷电流相同，且二次侧电流相位会差距90°时，则一次侧三相电流对称。这种连接方法的缺点在于：具有较为复杂的变压器内部连线，这种接线不但需要变压器，还需要有对称升压式自耦变压器，这在很大程度上影响了变压器制造、安装以及运行检修，而且需要较高的造价。 3 牵引变压器工程应用趋势
当今社会牵引变压器工程应用正逐渐的倾向于V/V接线变压器。首先，在220kV系统中，电气化铁道单相V/V接线变压器牵引电力机车所形成的谐波污染要更加接近平衡变压器所形成的污染;其次，据相关部门规定，供电部门在结合用户和社会需求，在对双电源且具有较高可靠性的供电时，能够收取较高可靠性供电的相关费用。一般铁路系统双电源可靠性大约在330元。如果一个单相牵引变压器在13000kVA容量时，容量的实际利用率为95%，则就需要13000×(1-90%)×330=442000元的供电费用。但是如果运用V/V接线变压器，则能够对变压器容量做到合理配置，充分利用完容量，让巨额费用得以节省，同时也能够充分利用到变电所相关配套设施;再次，V/V接线变压器的材料利用率可达100%，而平衡变压器只能达到96%的材料利用率，因此，对V/V接线变压器进行选用，能够让材料得到最大程度节约，让经济开支得以减少;最后，V/V接线变压器具有较为简单的变电所结构和较少的投资资金。在电气化铁道供电系统中，变电站每隔30～50km会有一台，需要巨大数量的变电站。不管是从对供电费用的节约上、材料的充分利用上等经济方面，还是从具有较为简单的施工等实际工程的角度上来看，牵引变压器在未来将很可能逐渐倾向于V/V接线变压器。
4 未来牵引变压器技术发展趋势
在未来牵引变压器技术领域中，高温超导牵引变压器将初见显现，这种牵引变压器具有较大功率、较轻的重量以及紧凑的结构，还能减轻45%的制造重量，能够达到99%以上的效率，此外还更加节能环保，必将为铁路运输起到非常显著的作用。德国西门子公司在2001年将运用于铁路交通中的1000kVA高温超导变压器给研发出来。我国湖南株洲电子机车有限公司在2005年开始研制高温超导变压器，并成功将300kVA电动车组高温超导变压器研发出来，在北京通过了验收。它是轨道电力机车组中运用进行原理性实验的样机，它有1个一次绕组、4个二次绕组、1个三次绕组，其中二次绕组相互独立。二次绕组中的2个在一次和三次绕组之间排列，绕在铁芯一侧。牵引变压器高温超导化让现有的冷却系统得到完善，让冷却效率得到提升，促使保温和密封性得到有效加强。高温超导变压器不仅体型小、重量轻，而且能耗低，具有良好的环保性能。高温超导牵引变压器的众多优点促使其逐渐成为当下最具发展前景的变压器。
5 结语
综上所述，随着我国经济的不断发展，相信在不久的将来，我国电气化铁道供电牵引电力变压器的研究必将越来越先进，有效推动我国铁路运输发展。因此，电力牵引供电系统中牵引变压器是最为核心的部分，其作用非常重要，不仅能够实现变压、供电以及让负序电流和高次谐波对电力系统的影响得以降低，同时还能够无偿地补偿电力系统。
参考文献
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作者简介：杨海涛(1969-)，男，江苏如皋人，济南铁路局建设项目管理中心工程师，研究方向：铁道牵引供电。
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